Pengaruh Sudut Kontak Statis Terhadap Dinamika Penjalaran
Droplet yang Menumbuk Permukaan Panas di Atas Kondisi Wetting
Limit Temperature dan Bilangan Weber Menengah
Romya, Indartob, Deendarliantob
a Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Riau. Kampus Bina Widya km 12,5 Sp. Baru, Pekanbaru 28293. Tel: (+62) 761 566786 Email: [email protected]
b Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jl. Grafika No.2, Yogyakarta, Indonesia. Tel : (+62) 274 521673. Email: [email protected]; [email protected]
ABSTRACT
The effect of static contact angles on the spreading of droplet above wetting limit temperature has been studied experimentally. The various of cantact angles achived by using surface with treatments, they were stainless steel, stainless steel coated with TiO2
without UV light and stainless steel coated with TiO2 with UV light. Droplet substance was
destilated water with initial diameter 2,41 mm. Impact energy was expressed in Weber number, they were 50,27; 60,85; and 71,44. Solid surface temperature was varied from 250−400oC with 5oC interval. As result, it was known that spreading factor increases due to
the decreasing of static contact angle and increasing of Weber number. For the condition above wetting limit temperature, spreading factor increases due to the decreasing of static contact angle and the increasing of Weber number until radial breakup limit temperature. Above radial breakup limit temperature, spreading factor decreases due to the decreasing of static contact angle and the increasing of Weber number.
Keywords: droplet; static contact angle; Weber number; wetting limit temperature 1. Pendahuluan
Penerapan tumbukan droplet dengan permukaan padat yang dipanaskan meliputi banyak hal di bidang keteknikan. Dalam bidang spray cooling, droplet digunakan untuk mendinginkan permukaan panas pada proses reaksi inti nuklir, quenching dan peralatan elektronik. Dalam bidang internal combustion engine, interaksi antara droplet bahan bakar dengan dinding ruang bakar merupakan hal yang memengaruhi proses atomisasi dan pencampuran sebelum pembakaran. Dalam bidang-bidang lainnya, aplikasi fenomena tumbukan droplet juga banyak ditemukan, misalnya pada pemadam kebakaran, surface coating, pelumasan, dan masih banyak lagi.
Metode spray cooling terbukti dapat membuang heat flux yang tinggi sekaligus mengontrol laju pendinginan yang diinginkan (Bernardin dkk.,1995). Laju perpindahan kalor yang tinggi merupakan suatu keuntungan karena dapat mengurangi ukuran, biaya dan kompleksitas peralatan penukar kalor. Metode pool boiling dan jet impingement tidak memiliki kemampuan dalam menjamin keseragaman dan kontrol pendinginan yang baik terutama pada permukaan yang mempunyai bentuk komplek.
Kemampuan perpindahan kalor antara droplet dengan permukaan padat ditentukan oleh kemampuan membasahi (wettability) antara droplet dengan permukaan. Semakin luas kontak yang terjadi maka perpindahan kalor yang terjadi akan semakin tinggi dan evaporation time semakin kecil. Wettability juga dapat diartikan dalam bentuk sudut kontak, semakin kecil sudut kontak maka akan semakin besar wettability. Dengan ditemukannya lapisan TiO2 yang memiliki sudut kontak mendekati 0o merupakan peluang
dalam meningkatkan efisiensi perpindahan kalor.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui hubungan contact angle terhadap spreading factor droplet di atas kondisi wetting limit temperature. Hasil yang diperoleh dari penelitian akan dipergunakan sebagai database dalam pengembangan model matematika untuk memprediksi dinamika evaporasi droplet dan sebagai bahan referensi dan memberikan kontribusi yang baik bagi perkembangan teknik spray cooling diwaktu yang akan datang, khususnya pada temperatur tinggi.
Penelitian mengenai pengaruh sudut kontak liquid-solid pada droplet sudah pernah dilakukan sebelumnya. Qiao dan Chandra (1997) meneliti pengaruh sudut kontak dengan memberikan surfactant (zat untuk menurunkan tegangan permukaan) pada droplet liquid untuk mengontrol sudut kontak. Pengaruh yang lebih dominan dengan pemberian surfactant tidak diketahui, apakah sudut kontak atau tegangan permukaan.
Hidaka dkk (2006) memanipulasi permukaan dengan variasi kekasaran, disinari plasma dan coating permukaan untuk mendapatkan variasi sudut kontak antara 0o hingga
170o. Percobaan yang mereka lakukan terfokus kepada pengaruh sudut kontak terhadap waktu evaporasi, variasi temperatur hingga wetting limit temperature dan bilangan Weber rendah.
Padang (2008) meneliti dinamika tetesan pada tiga permukaan yang berbeda yaitu stainless steel, stainless steel dilapisi TiO2 dan stainless steel dilapisi TiO2 dengan
penyinaran ultraviolet dalam mendapatkan variasi sudut kontak. Penelitiannya terfokus pada pengaruh sudut kontak terhadap waktu evaporasi dan karakteristik droplet pada bilangan Weber rendah dan variasi temperatur hingga mencapai kondisi Leidenfrost.
Temperatur wetting limit atau fluks kalor kritis adalah waktu minimum dalam evaporasi sebuah droplet. Daerah pendidihan di atas wetting limit temperature dibagi atas pendidihan transisi dan pendidihan film. Takata dkk (2004) menjelaskan kondisi di atas wetting limit temperature dapat ditentukan dengan mengamati perilaku evaporasi droplet,
yaitu apabila secondary droplet yang menimpa permukaan panas tidak terjadi perpecahan (Gambar 1.e).
Gambar 1. Perilaku droplet di sekitar wetting limit temperature (Takata dkk, 2004)
Salah satu faktor yang mempengaruhi dinamika tumbukan droplet adalah energi impak. Parameter yang digunakan untuk mengukur energi impak adalah bilangan Weber yang dipengaruhi oleh diameter, kecepatan, dan sifat fisik droplet. Persamaan bilangan Weber sebagai berikut :
σ
ρ
V DWe= 2 (1)
dimana,
ρ
= adalah massa jenis, V adalah kecepatan impak droplet ( , D adalah diameter awal droplet, h adalah ketinggian jatuh droplet danσ adalah tegangan
permukaan. Bila ukuran droplet terlalu besar bentuknya tidak lagi bulat sempurna tetapi agak lonjong. Oleh karena itu, diameter dihitung menggunakan persamaan Šikalo dkk (2006). 1 2 3 h v D= D D (2) 2. Metodologi PenelitianAda dua tahap pengujian yang dilakukan yaitu : 2.1 Uji Statis (Sessile Droop Test)
Pengujian ini bertujuan untuk menggukur sudut kontak statis untuk berbagai jenis
heat transfer block, dimana pengamatan dilakukan pada temperatur ruang. Jarum injector
2.2 Uji Dinamis
Pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan karakteristik Ketinggian jatuh droplet
transfer block. Temperatur permukaan padat yang akan dijatuhi menggunakan temperature controller.
high speed video camera Analisa dilakukan berdasarkan
Parameter pengujian yang akan 1. Temperatur permukaan 250
perwakilan untuk daerah di atas kondisi 2. Ketinggian jatuh droplet
kebilangan Weber 50,27
3. Sudut kontak: bahan stainless steel 200 nm (UVN) dan stainless steel (UVW).
2.3 Alat Uji
Penelitian ini menggunakan alat dan bahan sebagai berikut:
Fluida droplet yang digunakan pada penelitian ini adalah air fisis droplet tersebut selama pelaksanaan penelitian adalah sebagai berikut:
Massa jenis ( ) =
Tegangan permukaan ( ) =
Pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan karakteristik droplet droplet didapat dengan mengatur jarak jarum injector Temperatur permukaan padat yang akan dijatuhi droplet temperature controller. Dinamika tumbukan droplet direkam
high speed video camera dengan kecepatan pengambilan gambar 500 frame per detik. Analisa dilakukan berdasarkan data yang diukur melalui software.
Parameter pengujian yang akan dilakukan, yaitu :
Temperatur permukaan 250−400°C dengan kenaikan temperatur 5 perwakilan untuk daerah di atas kondisi wetting limit temperature.
droplet: 76, 92, dan 108 mm yang dikonversikan kebilangan Weber 50,27; 60,85; dan 71,44.
stainless steel (NS), stainless steel dengan pelapisan TiO
stainless steel dengan pelapisan TiO2 dan disinari sinar ultraviolet
ini menggunakan alat dan bahan sebagai berikut:
Gambar 2. Susunan alat uji
yang digunakan pada penelitian ini adalah air destilasi tersebut selama pelaksanaan penelitian adalah sebagai berikut:
= 996 kg/m3 = 71,2 × 10-3 N/m
1. Heat transfer block 2. Termokopel tipe K 3. Heater 4. Material isolator 5. Plat teflon 6. Mikrometer 7. Injector 8. Data logger
9. High speed video camera 10. Temperature controller 11. Digital Recording Processor
droplet setelah diteteskan. injector terhadap heat droplet diatur dengan direkam menggunakan dengan kecepatan pengambilan gambar 500 frame per detik.
C dengan kenaikan temperatur 5oC, sebagai : 76, 92, dan 108 mm yang dikonversikan oleh persamaan (1) dengan pelapisan TiO2 setebal
sinari sinar ultraviolet
destilasi. Adapun sifat tersebut selama pelaksanaan penelitian adalah sebagai berikut:
Heat transfer block
Termokopel tipe K Material isolator
High speed video camera Temperature controller Digital Recording Processor
3. Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan hasil pengukuran, besarnya sudut kontak statis masing spesifikasi jenis permukaan ditampilkan pada g
statis atau sudut kontak equilibrum UVW mendekati 0o. Hal ini berarti tingkat
UVN dan yang paling rendah permukaan NS. wettability yang sangat tinggi,
tersebut langsung menyebar dan membasahi daerah yang sangat luas perpindahan kalor dari permukaan ke tetesan menjadi tinggi
kontak yang kecil ini sangat menguntungkan bila permukaan akan menghasilkan lapisan
penguapan (Hidaka dkk, 2006).
NS
θ = 86,80o
Gambar 3. Sudut kontak statis pada
Gambar 4 menunjukkan pengaruh temperatur terhadap dinamika tumbukan dengan temperatur permukaan 254,0
temperatur 295,2, 357,7 dan pendidihan film.
Secara umum dengan semakin naiknya temperatur meningkatkan instabilitas penjalaran pada permukaan, dimana dengan naiknya temperatur mengakibatkan semakin cepatnya terbentuk lapisan uap untuk
arah breakup aksial (Tw = 254,0
357,7oC dan Tw = 394,2oC). Cepatnya terbentuk uap dapat juga diamati dengan semakin
tingginya central jet dan terbentukn
Berdasarkan hasil pengukuran, besarnya sudut kontak statis masing
mukaan ditampilkan pada gambar 3. Hasil pengukuran sudut kontak equilibrum diperoleh permukaan NS 86,80o
. Hal ini berarti tingkat wettability permukaan paling tinggi pada UVW, UVN dan yang paling rendah permukaan NS. Permukaan UVW mempunyai tingkat tinggi, jika tetesan air menimpa permukaannya maka tetesan tersebut langsung menyebar dan membasahi daerah yang sangat luas
perpindahan kalor dari permukaan ke tetesan menjadi tinggi. Permukaan
ini sangat menguntungkan bila diterapkan pada sistem pendidihan sebab menghasilkan lapisan film yang tipis sehingga mampu meningkatkan laju
2006).
Jenis Permukaan
UVN UVW
θ = 30,72o θ
udut kontak statis pada masing-masing spesifikasi jenis permukaan menunjukkan pengaruh temperatur terhadap dinamika tumbukan
dengan temperatur permukaan 254,0oC yang mempresentasikan keadaan transisi dan
temperatur 295,2, 357,7 dan 394,2°C yang merepresentasikan perilaku
Secara umum dengan semakin naiknya temperatur meningkatkan instabilitas penjalaran pada permukaan, dimana dengan naiknya temperatur mengakibatkan semakin cepatnya terbentuk lapisan uap untuk terjadi breakup. Hal ini dapat diamati dari perubahan
= 254,0oC dan Tw = 292,2oC) menjadi breakup
C). Cepatnya terbentuk uap dapat juga diamati dengan semakin dan terbentuknya kabut droplet. Dinamika tetesan yang terjadi Berdasarkan hasil pengukuran, besarnya sudut kontak statis masing-masing
Hasil pengukuran sudut kontak
o ,UVN 30,72o dan
paling tinggi pada UVW, mempunyai tingkat tetesan air menimpa permukaannya maka tetesan tersebut langsung menyebar dan membasahi daerah yang sangat luas sehingga laju Permukaan dengan sudut sistem pendidihan sebab yang tipis sehingga mampu meningkatkan laju
UVW
0o
masing spesifikasi jenis permukaan menunjukkan pengaruh temperatur terhadap dinamika tumbukan droplet
C yang mempresentasikan keadaan transisi dan °C yang merepresentasikan perilaku droplet pada Secara umum dengan semakin naiknya temperatur meningkatkan instabilitas penjalaran pada permukaan, dimana dengan naiknya temperatur mengakibatkan semakin Hal ini dapat diamati dari perubahan breakup radial (Tw =
C). Cepatnya terbentuk uap dapat juga diamati dengan semakin . Dinamika tetesan yang terjadi pada
permukaan UVN dan UVW permukaaan NS. t (ms) 254,0°C 0 2 4 6 8 12
Gambar 4. Dinamika tumbukan
Gambar 5 memperlihatkan pengaruh sudut kontak statis terhadap untuk bilangan Weber 50,27
kecil sudut kontak statis, spreading factor
Hal tersebut dikarenakan permukaan yang dilapisi dengan TiO
tinggi terhadap air sehingga kemampuannya menyerap air ke permukaan meningkat. Dengan semakin kecilnya sudut kontak mengakibatkan kecepatan aliran fluida saat penjalaran akan semakin cepat, hal ini yang menyebabkan
besar.
rmukaan UVN dan UVW akan menunjukan pola yang sama dengan tetesan pada
Temperatur 295,2°C 357,7°C
. Dinamika tumbukan droplet dengan permukaan NS pada We = 50,27 memperlihatkan pengaruh sudut kontak statis terhadap
untuk bilangan Weber 50,27 pada 2 ms. Dari Gambar 5 dapat disimpulkan dengan semakin spreading factor akan semakin meningkat pada awal tumbukan. Hal tersebut dikarenakan permukaan yang dilapisi dengan TiO2 mempunyai afinitas yang
tinggi terhadap air sehingga kemampuannya menyerap air ke permukaan meningkat. Dengan semakin kecilnya sudut kontak mengakibatkan kecepatan aliran fluida saat penjalaran akan semakin cepat, hal ini yang menyebabkan spreading factor
akan menunjukan pola yang sama dengan tetesan pada
394,2°C
pada We = 50,27 memperlihatkan pengaruh sudut kontak statis terhadap spreading factor
dapat disimpulkan dengan semakin akan semakin meningkat pada awal tumbukan. mempunyai afinitas yang tinggi terhadap air sehingga kemampuannya menyerap air ke permukaan meningkat. Dengan semakin kecilnya sudut kontak mengakibatkan kecepatan aliran fluida saat spreading factor akan semakin
Gambar 6 memperlihatkan pengaruh sudut kontak statis terhadap spreading factor untuk bilangan Weber 50,27 pada 4 ms. Dari Gambar 6 dapat disimpulkan dengan semakin kecil sudut kontak spreading factor akan semakin besar sampai batas breakup radial. Dengan semakin kecil sudut kontak mengakibatkan penjalaran droplet akan lebih mudah terjadi pecah (rupture), sebaliknya dengan semakin besar sudut kontak maka penjalarannya lebih stabil. Sebagai contoh pada bilangan We = 50,27 untuk permukaan UVW breakup radial terjadi pada temperatur 291,4oC, untuk permukaan UVN breakup radial terjadi pada temperatur 299,2oC dan untuk permukaan NS breakup radial terjadi pada 300,2oC.
Gambar 5. Pengaruh Sudut Kontak Statis Terhadap Spreading Factor pada We = 50,27 dan t = 2 ms
Gambar 6. Pengaruh Sudut Kontak Statis Terhadap Spreading Factor pada We = 50,27 dan t = 4 ms 0 1 2 3 4 240 260 280 300 320 340 360 380 400 ββββ= d/ D Tw(oC) NS UVN UVW 0 1 2 3 4 240 260 280 300 320 340 360 380 400 ββββ= d/ D Tw(oC) NS UVN UVW
Gambar 7 memperlihatkan pengaruh bilangan Weber terhadap spreading factor untuk permukaan UVN pada 2 ms. Dengan meningkatnya bilangan Weber mengakibatkan meningkatnya spreading factor di awal tumbukan untuk semua jenis permukaan. Hal ini disebabkan dengan meningkatnya energi tumbukan mengakibatkan semakin besar kecepatan yang didistribusikan untuk melakukan penjalaran. Namun demikian, kenaikan bilangan Weber tidak diikuti oleh kenaikan spreading factor secara linier, hal ini disebabkan dengan semakin tinggi bilangan Weber mengakibatkan terjadinya breakup kecil yang mengurangi spreading factor akibat kecepatan rotasi pada ujung penjalaran
(lamella).
Gambar 8 memperlihatkan dengan meningkatnya bilangan Weber mengakibatkan
spreading factor meningkat sampai batas breakup aksial. Setelah temperatur melewati
batas breakup aksial dengan meningkatnya bilangan Weber penjalaran droplet semakin tidak stabil dan lebih cepat terjadi breakup. Sebagai contoh pada permukaan UVN dengan sudut kontak statis θ = 30,72o, dimana untuk bilangan Weber 50,27 breakup radial mulai
terjadi pada temperatur 299,2oC, untuk bilangan Weber 60,85 pada temperatur 290,4oC dan
untuk bilangan Weber 71,44 pada temperatur 281,9oC.
Gambar 7. Pengaruh Bilangan Weber Terhadap Spreading Factor pada permukaan UVN dan t = 2 ms 0 1 2 3 4 240 260 280 300 320 340 360 380 400 ββββ= d/ D Tw (oC) We = 50,27 We = 60,85 We = 71,44
Gambar 8. Pengaruh Bilangan Weber Terhadap Spreading Factor pada permukaan UVN dan t = 4 ms
Jika dibandingkan dengan kondisi di bawah wetting limit temperature yang didapat oleh Susila (2008) dimana spreading factor akan meningkat dengan meningkatnya bilangan Weber. Pada kondisi di atas kondisi wetting limit temperature, khususnya pada daerah breakup radial spreading factor akan menurun dengan meningkatnya bilangan Weber. Hal ini disebabkan dengan kenaikan bilangan Weber dan turunnya tegangan permukaan dengan naiknya temperatur mengakibatkan penjalaran lebih mudah terjadi
breakup.
4. KESIMPULAN
Sudut kontak statis droplet mempengaruhi karakteristik penjalaran di atas permukaan panas. Pengamatan di atas kondisi wetting limit temperature diketahui
spreading factor meningkat dengan makin kecilnya sudut kontak statis hingga batas
breakup radial terjadi dan setelah batas breakup radial spreading factor akan semakin
menurun. Semakin kecil sudut kontak statis semakin cepat terjadi breakup radial.
Di atas kondisi wetting limit temperature, meningkatnya bilangan Weber mengakibatkan nilai spreading factor semakin besar pada daerah sebelum breakup radial namun spreading factor akan menurun dengan meningkatnya bilangan Weber pada daerah setelah breakup radial. Hal ini disebabkan dengan kenaikan bilangan Weber dan turunnya tegangan permukaan dengan naiknya temperatur mengakibatkan penjalaran lebih mudah terjadi breakup. Semakin besar bilangan Weber semakin cepat terjadi brekup radial.
0 1 2 3 4 240 260 280 300 320 340 360 380 400 ββββ= d/ D Tw (oC) We = 50,27 We = 60,85 We = 71,44
DAFTAR PUSTAKA
Bernardin, J.D. and Mudawar, I. 1995. “Validation of the Quench Factor Technique in Predicting Hardness in Heat Treatabel Aluminium Alloy ”. International Journal of Heat
and Mass Transfer. 38 , 863−873.
Hidaka, S., Yamashita, A. and Takata, Y. 2006. ”Effect of Contact Angle on Wetting Limit Temperature”. Heat Transfer-Asian Research. 35,513-526.
Padang, Yesung.A., 2008. Studi Eksperimental Studi Ekperimental Mengenai Dinamika
Tetesan Tunggal Yang Menimpa Permukaan Panas Pada Bilangan Weber Rendah. Tesis
Program Pasca Sarjana, Program Studi Teknik Mesin-UGM.
Qiao, Y.M. and Chandra, S. 1997. “Experiments on Adding a Surfactant to Water Drops Boiling on a Hot Surface”. Proceeding Royal Society London. 453, 673−689.
Šikalo, Š. and Gani , E.N. 2006. “Phenomena of Droplet-Surface Interactions”.
Experimental Thermal and Fluid Science. 31, 97-110.
Susila, M.Dyan. 2008. Studi Eksperimentalstudi Ekperimental Mengenai Dinamika
Tetesan Tunggal Yang Menimpa Permukaan Panas Pada Bilangan Weber Menengah.
Tesis Program Pasca Sarjana, Program Studi Teknik Mesin-UGM.
Takata, Y.,Hidaka, S., Yamashita, A. and Yamamoto, H. 2004. ”Evaporation of Water Drop on A Plasma-irradiated Hydrophilic Surface”. International Journal of Heat and
